慣性導航系統工作原理及應用

　　慣性導航系統簡介

　　慣性導航（Inertial Navigation）是20 世紀中期發展起來的完自主式的導航技術。通過慣性測量組件（IMU）測量載體相對慣性空間的角速率和加速度信息，利用牛頓運動定律自動推算載體的瞬時速度和位置信息，具有不依賴外界信息、不向外界輻射能量、不受干擾、隱蔽性好的特點，且慣導系統能連續地提供載體的全部導航、制導參數（位置、線速度、角速度、姿態角）。

　　慣性導航技術，包括平臺式慣導系統和捷聯慣導系統。平臺式慣性導航系統將陀螺通過平臺穩定回路控制平臺跟蹤導航坐標系在慣性空間的角速度。捷聯慣性導航系統利用相對導航坐標系角速度計算姿態矩陣，把雷體坐標系軸向加速度信息轉換到導航坐標系軸向并進行導航計算。

　　慣性導航系統通常由慣性測量裝置、計算機、控制顯示器等組成。慣性測量裝置包括加速度計和陀螺儀，又稱慣性導航組合。3個自由度陀螺儀用來測量飛行器的三個轉動運動；3個加速度計用來測量飛行器的3個平移運動的加速度。計算機根據測得的加速度信號計算出飛行器的速度和位置數據?？刂骑@示器顯示各種導航參數。

　　慣性導航系統的元件

　　1、陀螺儀

　　陀螺儀是慣性系統的主要元件。陀螺儀通常是指安裝在萬向支架中高速旋轉的轉子，轉子同時可繞垂直于自轉軸的一根軸或兩根軸進動，前者稱單自由度陀螺儀，后者稱二自由度陀螺儀。陀螺儀具有定軸性和進動性，利用這些特性制成了敏感角速度的速率陀螺和敏感角偏差的位置陀螺。由于光學、MEMS 等技術被引入于陀螺儀的研制，現在習慣上把能夠完成陀螺功能的裝置統稱為陀螺。陀螺儀種類多種多樣，按陀螺轉子主軸所具有的進動自由度數目可分為二自由度陀螺儀和單自由度陀螺儀；按支承系統可分為滾珠軸承支承陀螺，液浮、氣浮與磁浮陀螺，撓性陀螺（動力調諧式撓性陀螺儀），靜電陀螺；按物理原理分為利用高速旋轉體物理特性工作的轉子式陀螺，和利用其他物理原理工作的半球諧振陀螺、微機械陀螺、環形激光陀螺和光纖陀螺等。

　　單自由度陀螺儀敏感角速度，二自由度陀螺儀敏感角位移。為了將角速度和角位移轉換成慣性系統中可用的信號，陀螺儀需安裝信號傳感器。為了能控制陀螺儀按一定的規律進動，需安裝力矩器。

　　2、 加速度計

　　加速度計是慣性導航系統的核心元件之一。依靠它對比力的測量，完成慣性導航系統確定載體的位置、速度以及產生跟蹤信號的任務。載體加速度的測量必須十分準確地進行，而且是在由陀螺穩定的參考坐標系中進行。在不需要進行高度控制的慣導系統中，只要兩個加速度計就可以完成以上任務，否則是應該有三個加速度計。

　　加速度計的分類：按照輸入與輸出的關系可分為普通型、積分性和二次積分型；按物理原理可分為擺式和非擺式，擺式加速度計包括擺式積分加速度計、液浮擺式加速度計和撓性擺式加速度計，非擺式加速度計包括振梁加速度計和靜電加速度計；按測量的自由度可分為單軸、雙軸、三軸；按測量精度可分為高精度（優于10?4m/s2）、中精度（10-2 m/s2–10-3 m/s2）和低精度（低于0.1m/s2 ）。

　　慣性導航系統的原理

　　慣性導航系統（INS，Inertial Navigation System）也稱作慣性參考系統，是一種不依賴于外部信息、也不向外部輻射能量（如無線電導航那樣）的自主式導航系統。其工作環境不僅包括空中、地面，還可以在水下。慣性導航的基本工作原理是以牛頓力學定律為基礎，通過測量載體在慣性參考系的加速度，將它對時間進行積分，且把它變換到導航坐標系中，就能夠得到在導航坐標系中的速度、偏航角和位置等信息。

　　慣性導航系統的分類

　　1、平臺式慣性導航系統

　　根據建立的坐標系不同，又分為空間穩定和本地水平兩種工作方式?？臻g穩定平臺式慣性導航系統的臺體相對慣性空間穩定，用以建立慣性坐標系。地球自轉、重力加速度等影響由計算機加以補償。這種系統多用于運載火箭的主動段和一些航天器上。本地水平平臺式慣性導航系統的特點是臺體上的兩個加速度計輸入軸所構成的基準平面能夠始終跟蹤飛行器所在點的水平面（利用加速度計與陀螺儀組成舒拉回路來保證），因此加速度計不受重力加速度的影響。這種系統多用于沿地球表面作等速運動的飛行器（如飛機、巡航導彈等）。在平臺式慣性導航系統中，框架能隔離飛行器的角振動，儀表工作條件較好。平臺能直接建立導航坐標系，計算量小，容易補償和修正儀表的輸出，但結構復雜，尺寸大。

　　2、捷聯式慣性導航系統

　　根據所用陀螺儀的不同，分為速率型捷聯式慣性導航系統和位置型捷聯式慣性導航系統。前者用速率陀螺儀，輸出瞬時平均角速度矢量信號；后者用自由陀螺儀，輸出角位移信號。捷聯式慣性導航系統省去了平臺，所以結構簡單、體積小、維護方便，但陀螺儀和加速度計直接裝在飛行器上，工作條件不佳，會降低儀表的精度。這種系統的加速度計輸出的是機體坐標系的加速度分量，需要經計算機轉換成導航坐標系的加速度分量，計算量較大。

　　為了得到飛行器的位置數據，須對慣性導航系統每個測量通道的輸出積分。陀螺儀的漂移將使測角誤差隨時間成正比地增大，而加速度計的常值誤差又將引起與時間平方成正比的位置誤差。這是一種發散的誤差（隨時間不斷增大），可通過組成舒拉回路、陀螺羅盤回路和傅科回路 3個負反饋回路的方法來修正這種誤差以獲得準確的位置數據。

　　舒拉回路、陀螺羅盤回路和傅科回路都具有無阻尼周期振蕩的特性。所以慣性導航系統常與無線電、多普勒和天文等導航系統組合，構成高精度的組合導航系統，使系統既有阻尼又能修正誤差。

　　慣性導航系統的導航精度與地球參數的精度密切相關。高精度的慣性導航系統須用參考橢球來提供地球形狀和重力的參數。由于地殼密度不均勻、地形變化等因素，地球各點的參數實際值與參考橢球求得的計算值之間往往有差異，并且這種差異還帶有隨機性，這種現象稱為重力異常。正在研制的重力梯度儀能夠對重力場進行實時測量，提供地球參數，解決重力異常問題。

　　慣性導航系統的應用和發展

　　世紀，牛頓研究了高速旋轉剛體的力學問題。牛頓力學定律是慣性導航的理論基礎。

　　1852年J.傅科稱這種剛體為陀螺，后來制成供姿態測量用的陀螺儀。

　　1906年H.安休茲制成陀螺方向儀，其自轉軸能指向固定的方向。

　　1907年他又在方向儀上增加擺性制成陀螺羅盤。這些成果成為慣性導航系統的先導。

　　1923年M.舒拉發表“舒拉擺”理論，解決了在運動載體上建立垂線的問題，使加速度計的誤差不致引起慣性導航系統誤差的發散，為工程上實現慣性導航提供了理論依據。

　　1942年德國在V-2火箭上首先應用了慣性導航原理。1954年慣性導航系統在飛機上試飛成功。

　　1958年，“舡魚”號潛艇依靠慣性導航穿過北極在冰下航行21天。中國從1956年開始研制慣性導航系統，自1970年以來，在多次發射的人造地球衛星和火箭上，以及各種飛機上，都采用了本國研制的慣性導航系統。